我国货车制动系统存在的问题及展望_待续_

马 大 炜

(铁道科学研究院 研究与发展中心, 北京 100081)

摘 要: 概述了我国货车制动装置的现状。 根据货物列车提速和重载化的发展要求, 阐述了现有货车制动装置存在 的问题。从制动能力、轮轨粘着利用、制动热负荷和列车纵向力等不同方面, 通过定量计算和理论分析指出货车制动装置 的发展方向。

关键词: 货车; 制动装置; 粘着; 制动距离; 制动计算; 述评 中图分类号: U 270. 351

文献标识码: A

1 我国货车制动装置的概况 我国现有货车近 万辆, 其中大部分是载重 50 t 以上的 21 t 轴重货车, 并以敞车为主。 除少量保温车 以外, 其他车种均有较大的空重比, 并采用转 8 型转向 架。 货车制动系统的基本组成和特点如下:

(1) 货车制动机。按分配阀的类型可分为 103 型、

103 阀属于间接作用方式的分配 GK 型和 120 型 3 种。

用直接作用方式, 不便于配合空重车调整, 但 120 阀已

被确定为主型分配阀。

(2) 基础制动装置。由于转向架结构所限, 除专用

货车 (如保温车) 外, 均采用单侧踏面制动装置。一般以 356 mm 制动缸、大容积副风缸 (59 L～ 80 L ) 与铸铁闸 瓦或低摩合成闸瓦匹配; 用 2 mm 制动缸、小副风缸 (40 L ) 与高摩合成闸瓦匹配。

(3) 闸瓦。一般分为高磷铸铁闸瓦 (中磷铸铁闸瓦

阀, 便于空重车调整; 旧型的 GK 三通阀和 120 阀都采

收稿日期: 2002209219

作者简介: 马大炜 ( 19462) , 男, 研究员。

在货车上已基本淘汰) 和合成闸瓦。后者又可以分为高 摩合成闸瓦和低摩合成闸瓦, 但其摩擦特性尚不能充 分满足提速的发展要求。

(4) 空气制动系统定压。 一般采用 500 k P a, 在大

时间 温度ƒ℃ 方案l

表 5 + 20 ℃～ + 80 ℃下气路板系统漏泄量

9: 27 9: 37 10: 00 10: 10 10: 20 10: 30 10: 43 10: 50 11: 08 + 20 + 20 + 39 + 49 + 59 + 68 + 75 + 79 + 80 682

676 670 670 660 630

655 677 8 660 630

650 684 635 660 630

5 690 631 660 630

2 695 625 660 630

5 700 620 660 630

0 705 615 660 630

635 695 610 660 630

0147 0 0159 0 0

平均漏泄量

(k P a·m in 21 ) ƒ4 结论

1998 年—2000 年 间, F 8 型 集

压 方案¦ 670

力

方案? 670 ƒ

k P a 方案K 660

成化电空制动单元分别在“大白鲨” 号电动车组、“新曙光”号内燃动车 组、“神州”号内燃动车组、“蓝箭”号 电动车组上装车运用。 运用结果表 明, 该电空制动单元的制动性能良 好, 作用可靠, 维修方便, 能够满足 高速列车的运用要求。 建议尽早制 定 F 8 型集成化电空制动单元的试

方案V 630

3. 3 单车试验

验方法和检修规则, 加快其推广运用的进程。

参考文献:

1

用电空制动单车试验器对该制动单元进行了试验 检查, 结果如下:

(1) 在充至定压后, 单车 4 位减压 40 k P a 以前, 保 证 发 生 常 用 制 动 作 用; ( 2) 小 减 压 量 制 动 后, 保 压 1 m in 未发生自然缓解; ( 3) 2 位缓解正常; ( 4) 5 位减压 制 动作用正常, 未发生意外紧急制动; ( 5) 6 位减压紧 急制动正常。 ·8·

铁道部科学研究院, 广州铁路 ( 集团) 公司, 四方车辆研究所, 等.

200 km ƒh 电动旅客列车组环行线及广深线试验研究报告 [ R . 2000.

2 3

四方车辆研究所. F 8 型集成化电空制动单元试验报告[R . 2000. 广深铁路股份有限公司广深车辆段. F 8 型集成化电空制动单元 运用情况报告[R . 2000.

(编辑: 李 萍)

马大炜 我国货车制动系统存在的问题及展望 (待续)

坡道地区 (如大秦线) 采用 600 k P a。

( 5) 空重车调整装置。GK 阀和 120 阀主要采用手 动二级空重车调整装置; 少数新造货车采用空重车自 动调整装置, 并正在由有级向无级发展。

表 2 是按照 800 m 紧急制动距离要求和在 5 000 t 重载列车装备 120 型制动机条件下按 TB ƒT 1407—

(以下简称) 计算的制 1998《列车牵引计算规程》《牵规》

动空走时间为 515 s 时的制动功率。

(km ·h - 1 ) 速度ƒ21 25

(6) 闸瓦间隙自动调整器。 闸瓦间隙自动调整器

已经推广使用。 使用闸调器后对货车制动机的效率有

一定影响, 特别是对空车或低制动缸压力时的制动力 影响较大。

表 2 制动功率

80 85

90

100

110

120

kW ƒ轴 125

轴重ƒt

123. 6 173. 8 236. 5 315. 2 361

2 货车重载和提速对制动系统的要求

2. 1 制动能量的增加及其

众所周知, 空气制动作用的基本原理是将列车的

101. 5 147. 1 206. 9 281. 6 375. 2 429. 8

注: 在计算制动功率时, 应按实制动时间计算, 故与列车制动空走 时间或编组辆数有关。 本文按长编组的苛刻条件进行计算。

动能转换为摩擦副作用的热能。 该能量除通过空气扩 散以外, 大部分被车轮和闸瓦 (制动盘) 材料所吸收, 然 后通过它们再扩散于大气。 如果向摩擦副输入的能量 超过其散热能力和热容量, 就会导致这些部件受热破 坏而严重影响其作用性能, 轻则闸瓦 ( 片) 发热熔化而 影响制动能力, 重则闸瓦 ( 盘) 或车轮破裂而导致行车 事故。因此, 有两方面的问题需要研究。一是摩擦副承 受热负荷的能力, 它主要取决于基础制动装置的结构 形式和摩擦副的材料、尺寸, 德国和日本曾对此进行了 大量的试验研究, 并确认了铸铁闸瓦、合成闸瓦和制动 盘制动功率的极限值; 二是不同车辆在制动过程中的 制动功率和制动动能, 它主要和车辆的轴重、制动初速 度有关。 过去, 由于我国的客货车辆轴重不超过 21 t, 最高速度在 120 km ƒh 以下, 制动热负荷相对较小, 因 此, 制动功率的问题在国内几乎未进行过研究。直到上 个世纪 80 年代以后, 随着客货列车提速和重载列车的 发展, 该问题才逐渐引起了人们的重视。根据国外试验 结果, 货车制动机在采用铸铁闸瓦时的轴制动功率限 值仅为 244 kW ƒ轴, 使用合成闸瓦时为 340 kW ƒ轴, 亦 不足盘形制动之半。 因此, 随着重载与提速的发展, 制 动负荷已成为货车制动系统设计的重要因素之一。

表 1 为我国不同轴重货车在不同速度下制动能量 的简算结果。从表中可以看出, 制动能量与速度成平方 关系。 既有货车从 90 km ƒh 提速到 120 km ƒh 的制动 能量约增加 78% , 若同时提高至 25 t 轴重时则增加

100% 以上。

由表 2 可见, 受原有紧急制动距离 800 m 的, 从制动热负荷考虑, 21 t 轴重采用铸铁闸瓦的极限速 度在 110 km ƒh 以下; 25 t 轴重采用铸铁闸瓦的极限速 度约在 105 km ƒh 以下。采用高摩合成闸瓦, 在理论上 可将其制动热 负 荷 容 许 的 速 度 极 限 分 别 提 高 到 120

km ƒh 和 115 km ƒh 左右, 即提高约 10 km ƒh。 为进一

步提速, 实际上只能采取延长紧急制动距离的方法, 因 此, 我国对 120 km ƒh 提速货车的紧急制动距离 已延长到 1 100 m～ 1 400 m 。同时考虑到制动热负荷 对轮瓦作用的影响, 对极限值的合成闸瓦热功率仍应 有一定的安全裕量, 需要按最不利的条件进行制动热 负荷的校核。

2. 2 货车大型化对闸瓦压力的要求

我国现有货车的轴重多为 21 t, 重车质量在 84 t 以下。根据货车提速至 90 km ƒh 时紧急制动距离不大 于 800 m 的制动能力要求, 每百吨列车质量换算闸瓦

)。 压力应在 340 kN 以上 ( 参见《铁路技术管理规程》

按此换算, 每辆货车的换算闸瓦压力应在 280 kN 以 上, 即换算制动率在 34% 以上。 在货车基础制动装置 为单侧闸瓦制 动 的 条 件 下, 每 块 闸 瓦 上 的 压 力 达 35 kN , 已接近铸铁闸瓦的限值, 超过国外标准。

随着货车轴重的增加, 在制动距离不变的条件下, 必须增加相应的闸瓦压力以保持每百吨列车质量换算 闸瓦压力不小于 340 kN 的要求。例如, 轴重提高到 25 车以上, t 时, 相应的换算闸瓦压力应提高到 340 kN ƒ加上闸瓦压力提高对摩擦因数的影响, 初步计算闸瓦

的压强接近 1 470 k P a, 铸铁闸瓦已不能承受, 必须采 用高摩合成闸瓦, 同时对合成闸瓦也有材料强度等物 理性能和制动热负荷的要求。

2. 3 货车空重比提高对空重车调整装置的要求

21 25

表 1 制动能量计算结果

80

90

100

110

120

( kW ·h ) ƒ轴 125

140

(km ·h - 1 ) 速度ƒ 轴重ƒt

1. 44 1. 82 2. 25 2. 72 3. 24 3. 52 4. 41

现代货车的发展方向之一是减轻自重、增加有效 载重, 因此, 空重比也随之增大。 我国一般通用型敞车

·9 ·

. 17 2 . 68 3 . 24 3 . 86 4 . 19 5 . 25 1. 72 2© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

铁道车辆 第 41 卷第 3 期 2003 年 3 月

的自重约为 21 t, 按载重 60 t 计算, 空重比约为 319∶ 1。但目前大部分货车仍使用旧型的手动二级空重车调 整装置, 除少数 103 型货车制动机采用间接控制方式 尚能合理利用空车位的耗风量之外, GK 阀和 120 阀

3. 1 制动距离计算和提速问题

均采用 50 年代降压风缸方式的空重车调整装置, 在空 车位时有浪费压缩空气的缺点, 而且依靠安全阀调整 的空车位紧急制动缸压力高达 190 k P a, 造成制动缸 压力的空重比不到 2∶1。空车和重车的制动率存在重 大差异, 不仅影响列车中空重车混编时制动力的均匀 性, 而且导致列车纵向冲动加剧, 造成空车位车轮擦 伤。为此, 80 年代以来, 我国货车曾试制和装用过多种 空重车自动调整装置, 但其数量不多 ( 不足 10% )。 虽 然其性能较旧手动空重车调整装置有所改进, 但仍以 二级调整为主, 空车位紧急制动缸压力只能达到 160

k P a, 空重制动力比仍接近 2∶1, 不能从根本上解决空

货物列车的制动距离在理论上可以分为空走距离 和实制动距离。 空走距离与空走时间即列车编组辆数 有关。实制动距离除与制动初速度成平方比关系以外, 主要取决于列车制动率、闸瓦摩擦性能和线路条件的 影响。

3. 1. 1 既有货车制动系统的制动能力

在 5 000 t 级重载列车 (60 辆重车编组) 采用高摩 合成闸瓦、500 k P a 定压的条件下, 考虑 6% 关门车辆 时不同类型货车编组的换算制动率, 平直道紧急制动 距离计算结果见表 3。 5 000 t 级重载列车采用高磷铸 铁闸瓦 ( 配 备 356 mm 制 动 缸) 与 现 有 高 摩 合 成 闸 瓦

(配备 2 mm 制动缸) 时, 在不同速度、坡道和操纵条

件下的制动距离电算结果分别见表 4 与表 5。

车擦轮和空重车制动率差别大的问题。

2. 4 货车提速对改进闸瓦摩擦材料性能的要求

车型

表 3 5 000 t 级重载列车不同配置时的

紧急制动距离比较

制动率ƒ% 高摩合成闸瓦 30

C 62型

m

我国从 90 年代初开始对客货列车提速进行了大

量的试验研究工作。一般情况下, 装用高磷铸铁闸瓦的 货车可以满足 85 km ƒh 制动初速度下紧急制动距离 不超过 800 m 的要求, 进一步提速则必须装用高摩合 成闸瓦。 但我国现有高摩合成闸瓦的摩擦因数仍较国 外同类闸瓦低, 尚不能满足货物列车进一步提速的性 能 要 求。 经 过 专 家 论 证, 认 为 其 摩 擦 因 数 应 在 TB ƒ 《货车高摩擦系数合成闸瓦》的基础上再 T 2403—1993

提高 23%～ 25% , 同时解决金属镶嵌、车轮踏面剥离 及环保等问题。

2. 5 重载列车提速对缩短制动空走距离的要求

( km ·h - 1 ) 制动初速度ƒ85 751

90 857 838 698

869

971 805 777 8 673

1 429 1 225 1 699 1 396 1 350 1 113 1 161 120

高摩合成闸瓦 18. 3 新高摩合成闸瓦 18. 3 高摩合成闸瓦 15. 3

C 63型

新高摩合成闸瓦 15. 3 高摩合成闸瓦 20. 2 新高摩合成闸瓦 20. 2

C 型

P 65型 高摩合成闸瓦 24. 2

我国现有重载列车牵引重量一般在 5 000 t 左右, 编

组辆数一般在 60 辆以上, 因此, 制动空走时间较长, 其制 动空走距离在制动距离中所占的比重较大, 对提速有很 大影响。近年来, 我国已将 120 型制动机作为定型产品而 大量推广使用, 但由于历史条件所限, 当时 120 阀设计的 主导思想主要是适应万吨列车作用的要求, 为减少纵向 冲动而尽量延缓制动缸压力的上升作用时间。 但这一点 并不适合于常用的短编组列车甚至 5 000 t 级列车 ( 实际 上我国在近期内已不再开行万吨列车) , 最明显的影响是 延长了制动空走时间和空走距离。为此, 通过专家论证提 出的共识是: 在原 120 阀的基础上克服其设计上为长大 重载列车考虑的特点, 研制或改进相应的制动阀, 通过缩 短空走时间延长有效制动距离, 亦即必须研究适应货车 提速要求的新型制动阀。

表 4 5 000 t 级重载列车装高磷闸瓦时的制动距离

坡度

制动初速 ƒ( km ·h - 1)

120

0

90 85 80 120

- 4

90 85 80

0. 5 制动

0. 8 制动

m

‰ ƒ系数

2 723 1 478 1 308 1 152 3 237 1 726 1 522 1 335

系数

2 299 1 278 1 138 1 010 2 824 1 439 1 278 1 131

全制动

2 103 1 197 1 072 956 2 352 1 325 1 184 1 055

紧急制动

1 5 865 761 668 1 818 943 828 724

3. 1. 2 提速货车的制动能力

目前, 国外快速货物列车的运行速度已高达 160

km ƒh , 我国对货车提速的近期发展目标也从 90 km ƒh

3 快速、重载货物列车制动系统的计算分析

·10·

提高至 120 km ƒ现有货车即使在装备新型高摩合成 h。

闸 瓦的条件下将 120 km ƒh 的紧急制动距离延长

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马大炜 我国货车制动系统存在的问题及展望 (待续)

表 5 5 000 t 级重载列车装高摩合成

坡度 ‰ ƒ制动初速

闸瓦时的制动距离

0. 5 制动

0. 8 制动

m

时, 若按《牵规》中规定的“货车闸瓦制动取 0190”的基

础 制动装置传动效率 Γ 计算, 在不同空车压力 ( 空重 比) 下的空车制动率见表 6, 粘着校核结果见表 7。

表 6 空车位闸瓦压力和制动率

二级 ( 手动)

500 600

500

ƒ( km ·h - 1)

120

系数

1 807 1 080 977 879 1 995 1 192 1 078 970

系数

1 621 1 020 925 835 1 757 1 078 981 887

全制动

1 527 952 868 787 1 637 1 024 934 828

紧急制动

1 258 739 666 597 1 351 792 713 639

0

90 85 80 120

空重车调整装置

列车管定压ƒk P a 空车位制动缸最高压 力ƒk P a 换算闸瓦压力ƒkN 换算制动率ƒ%

无级 ( 自动)

600

190 190 160 140 120 190 160 140 91. 3 91. 3 76. 9 67. 3 57. 7 91. 3 76. 9 67. 3

- 4

90 85 80

42. 3 42. 3 35. 6 31. 2 26. 7 42. 3 35. 6 31. 2

表 7 不同空车压力的粘着校核

到 1 100 m 也 不 能 满 足 要 求, 但 在 90 km ƒh 和 120

km ƒh 制动初速下紧急制动距离分别不超过 800 m 和

1 400 m 是可以达到的。因此, 后者已经由专家讨论和

速度

(km ·h - 1 ) ƒ0 10 20 50 90 100 120

备 注

粘着系数 Λ

A

0. 153 0. 145 0. 137 0. 12 0. 105 0. 102 0. 097

铁道部认可作为暂定标准。但如表 3 所示, 在现有高摩 合成闸瓦条件下, 考虑 5 000 t 编组和关门车的影响, 对货车重车换算制动率 Ηh 的要求应不低于 21% ; 如果 采用将摩擦因数提高 24% 左右的新型高摩合成闸瓦, 则可将紧急制动距离缩短 20% , 从而提高安全裕量, 但过高的制动力可能导致空车擦伤车轮, 因此还要作 粘着校核。

3. 2 粘着校核和空车位调整压力问题

现瓦 0. 136 0. 128 0. 122 0. 109 0. 099 0. 097 0. 094 √ 新瓦 0. 169 0. 159 0. 151 0. 135 0. 123 0. 121 0. 117 ×

现瓦 0. 115 0. 108 0. 103 0. 092 0. 083 0. 082 0. 079 √ B

新瓦 0. 142 0. 134 0. 127 0. 114 0. 103 0. 102 0. 098 ×

Ηh ·Υh

√

现瓦 0. 1 0. 095 0. 09 0. 08 0. 073 0. 072 0. 07 C

新瓦 0. 125 0. 117 0. 111 0. 1 0. 091 0. 0 0. 086 √

√

手动 现瓦 0. 136 0. 128 0. 122 0. 109 0. 099 0. 097 0. 094 (A ) 新瓦 0. 169 0. 159 0. 151 0. 135 0. 123 0. 121 0. 117 ×

注: A 、160 k P a 和 140 B、C —— 空车位制动缸压力分别为 190 k P a、

k P a;

制动粘着系数随列车速度的增加而有下降的趋

势。 由于高摩合成闸瓦的特点之一是在提速时有较高 的摩擦因数, 因此, 与铸铁闸瓦相比, 其粘着利用率要 高得多。为防止车轮擦伤, 在设计制动力提高的同时应 按瞬时摩擦因数对整个制动过程按照粘着限界条件进 行粘着校核, 即:

·Υ ≤Λ Η

式中: Η—— 制动率;

—— 闸瓦与车轮间摩擦因数; ΥΛ—— 轮轨间粘着系数。

最不利湿态条件下的粘着系数 Λ 计算公式如下:

(120+ v ) Λ= 0. 040 5+ 13. 55ƒ式中: v —— 瞬时速度, km ƒh。

(2) (1)

— 换算制动率; Ηh —

— 换算摩擦因数。 Υh —

从表 7 可以看出, 在采用现有铁标高摩合成闸瓦

的条件下, 当空车位压力为 190 k P a 时其粘着利用率 已高达 90% 以上。若闸瓦摩擦因数较标准值偏高就有 可能擦伤车轮, 并且在 100 km ƒh 以上速度时更容易 超过粘着。 若采用摩擦因数提高 24% 的新合成闸瓦, 则在现有二级空重车或无级调整的 A 条件下即空车 位制动缸压力为 190 k P a 时, 将超过不良粘着状态下 的粘着利用而导致擦伤车轮, 因此, 必须相应地减少空 车位时的制动缸调整压力。

3. 3 基础制动装置传动效率对制动距离和粘着的影

从车辆的制动条件考虑, 最不利的粘着条件是定 压 600 k P a 时的空车状态。 鉴于我国现有手动二级空 重车调整装置空车位制动缸压力过大容易导致空车位 擦 伤 车 轮 的 问 题, 有 关 单 位 正 在 研 制 空 车 位 压 力 为 160 k P a 甚至更低的无级自动空重车调整装置。按 120

km ƒh 制动初速下紧急制动距离不大于 1 400 m 的要

响

基础制动装置传动效率是制动系统的基本参数之

一。 目前在《牵规》计算公式中对计算传动效率的规定 是“货车闸瓦制动取 019”, 这是根据紧急制动距离试 验的一个换算取值。实际上, 影响基础制动装置传动效 率的因素很多, 包括闸瓦压力 (制动缸压力)、传动装置 的摩擦损失、闸瓦间隙调整器的损失以及闸瓦压力不

·11 ·

求设计 21 t 轴重货车, 当重车的换算制动率 Ηh 取 21%

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铁道车辆 第 41 卷第 3 期 2003 年 3 月

均匀分配的离散度。 基础制动装置的形式和制动缸压 力的大小是影响传动效率变化的主要因素, 为此, 在 《牵规》电算程序中结合美国经验公式和我国对货车基 础制动装置静传动效率的试验研究结果, 考虑了制动 缸压力对传动效率的影响。 根据铁道科学研究院对

装有闸瓦间隙调整器的

C 65 型货车基础制动装置静传动效率的实测结果 ( 500

时基础制动装置准动态传动效率的测试结果, 其传动 效率公式如下:

X 1k 型车: Γ= 0. 875- 52. 39ƒP c P 65A 型车: Γ= 0. 848- 47. 2ƒP c

(3) (4)

式中: P c —制动缸平衡压力, k P a。

(4) 计算的结果亦列入表 8。从表中可 按公式 (3)、

以看出, 计算结果与铁科院对 C 65 型货车的实测结果基

k P a 定压条件) 整理得到制动缸平衡压力对传动效率

的影响见表 8。

此外, 根据近年来对 X 1k 型车和 P 65A 型车制动试验

本一致。按实测结果与计算传动效率 019 进行换算, 得 到换算效率与计算传动效率 019 之比率亦见表 8。

表 8 制动缸压力和传动效率 Γ

制动缸压力ƒk P a

C 65型 100 0. 41 0. 35

110 0. 44 0. 4

120 0. 46 0. 44

140 0. 51 0. 5

150 0. 53 0. 53

160 0. 55 0. 55

170 0. 56 0. 57

190 0. 58 0. 6

220 0. 62 0.

≥350

0. 7 0. 73

实测 Γ

X 1k 型 P 65A 型 0. 38 0. 53 0. 59

0. 42 0. 57 0. 63

0. 46 0. 59 0. 66

0. 51 0. 66 0. 73

0. 53 0. 68 0. 76

0. 55 0. 71 0. 79

0. 57 0. 72 0. 8

0. 6 0. 75 0. 83

0. 63 0. 8 0.

0. 71 0. 9 1. 0

计算结果

计算结果与 019 之比率

根据表 8 对空车位换算闸瓦压力 K h 和制动率修

正计算的结果见表 9。

表 9 考虑空车位效率损失的换算闸瓦压力和换算制动率

k P a 列车管定压ƒ500

190

160

140

120

190

600 160

140

由此可见, 在现有 120 阀和合成闸瓦装备的条件 下, 考虑制动缸压力对制动传动效率的影响, 当空车位

压力过低 (120 k P a 以下) 时不能满足紧急制动距离的 要求, 而需要将空车位制动缸压力提高到 140 k P a 左 右或采用新型高摩合成闸瓦即提高闸瓦摩擦因数的方 法。

另一方面, 考虑制动传动效率损失对制动率 Ηh 的 影响时, 在不同空车压力下的粘着校核结果见表 11。

表 11 考虑空车位制动传动效率损失的粘着校核

速度

(km ·h - 1 ) ƒ0

10

20

50

90

100

120

空车位制动缸最高压 力ƒk P a 换算闸瓦压力ƒkN 换算制动率ƒ%

75. 8 60. 8 49. 1 38. 1 75. 8 60. 8 49. 1

35. 1 28. 2 22. 8 17. 65 35. 1 28. 2 22. 8

在《牵规》电算程序中已考虑了上述制动传动效率

对制动距离的影响, 为简化起见, 也可以应用上述制动 传动效率值和《牵规》中的制动距离计算公式计算空车 位时的紧急制动距离, 按 500 k P a 定压长编组列车、现 有合成闸瓦和空车位压力较低的 120 k P a 和 140 k P a 对紧急制动距离的校核结果见表 10。

表 10 长编组列车空车紧急制动距离

- 1)

备 注

粘着系数 Λ

A

0. 153 0. 145 0. 137 0. 12 0. 105 0. 102 0. 097

现瓦 0. 113 0. 106 0. 101 0. 091 0. 082 0. 081 0. 078 √ 新瓦 0. 14 0. 132 0. 125 0. 112 0. 102 0. 1 0. 097 √ 现瓦 0. 091 0. 085 0. 081 0. 073 0. 066 0. 065 0. 063 √ 新瓦 0. 113 0. 106 0. 1 0. 09 0. 082 0. 08 0. 078 √

√ 现瓦 0. 073 0. 069 0. 066 0. 059 0. 053 0. 052 0. 051 新瓦 0. 091 0. 086 0. 081 0. 073 0. 066 0. 065 0. 063 √

k P a。

Ηh ·Υh B

m

120 1 509. 2 1 075. 2 1 222. 1 951. 7

( km ·h 制动初速ƒ85 773. 9 561. 4 0. 8 501

90 863. 8 624. 5 705. 3 556. 7

100 1 059. 9 761. 9 862. 7 677. 3

C

空车压力为

120 k P a

( 1) ( 2) ( 1) ( 2)

注: A 、B、C —— 空车位制动缸压力分别为 190 k P a、160 k P a 和 140

空车压力为

140 k P a

注: ( 1) 考虑空车位制动传动效率损失;

( 2) 不考虑空重车制动传动效率的差别, 即按重车位换算效率

( 019) 计算的制动距离。

由此可见, 采用现有高摩合成闸瓦的粘着利用均 有较大裕量; 采用新型合成闸瓦且当空车位调整压力 为 190 k P a 时, 即 使 考 虑 制 动 传 动 效 率 损 失, 在 120 km ƒh 时的粘着利用率亦高达 100% 。 此外, 在实际制

·12·

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马大炜 我国货车制动系统存在的问题及展望 (待续)

动过程中由于有前方转向架增载、后方转向架减载等

制动力不均匀分布的因素, 仅根据《铁路货物装载加固 规则》规定, 实际运用中 1 位、2 位转向架的实际载重 相差就允许在 10 t 以内。因此, 按最不利条件考虑, 为 防止车轮擦伤, 粘着利用率应该有较大的裕量。 如表 11 所示, 在采用新型高摩合成闸瓦的条件下, 空车位 制动缸调整压力仍有降低到 160 k P a 以下以免粘着利 用率过高的必要性。

表 12 不同平均速度时的坡道制动功率

( km ·h - 1) 速度ƒ40 60

kW ƒ轮

中磷闸瓦

40. 4 51. 6

高磷闸瓦

47. 1 61. 5

合成闸瓦

35. 5 50

注: 坡道制动闸瓦压力按铸铁闸瓦 20 kN ƒ轮、合成闸瓦 12 kN ƒ轮

计算。

表 13 车轮踏面最高温度 ℃

如前所述, 制动热负荷基本上与轴重成正比, 与速

停车制动 坡道制动 热疲劳 度成平方比关系。因此, 货物列车的提速和重载将导致

闸瓦类型

制动热负荷的剧增。对踏面制动而言, 由于铸铁闸瓦在 <840 <915 <840 <915 <840 <915 制动过程中的吸热比例高达 3315% , 在过大的制动热

> 172 242 370 290 铸铁闸瓦

负荷下主要是闸瓦严重磨耗和熔化的问题。 采用合成 183 188 341 383 800 4 407G 闸瓦 闸瓦则可减少闸瓦的吸热比例, 提高制动功率限值, 以 适应货车提速和重载化的需要。 但同时应考虑到制动

考虑到闸瓦摩擦因数变化和外温的影响, 由表 13 热负荷对车轮热应力和使用寿命的不利影响。为此, 我

国曾在上世纪 90 年代进行了专题调查及试验研究工 可见, 在短时间的停车制动或坡道制动条件下, <840 作。 mm 和 <915 mm 车 轮 的 踏 面 温 度 差 不 多; 在 热 疲 劳

研究表明, 对车轮热负荷最不利的制动工况是紧

时, <840 mm 车轮由于热疲劳容量和散热条件较差,

急制动和拖拽制动工况, 特别是在长大下坡道地区。由

其踏面温度和热负荷情况比 <915 mm 车轮有较明显

于我国的货车空气制动机缺乏国外一些空气制动机所

具有的坡道制动位或保压阀作用, 因此制动条件更加 的变化。 此外, 由于使用高摩合成闸瓦, 在热疲劳试验 恶劣。虽然这 2 种制动工况并不普遍, 但由于我国货车 过程中无论是 <840 mm 车轮还是 <915 mm 车轮均多 轴重大、使用频率高, 必然导致在所有制动工况综合作 次出现踏面表面擦伤现象。 所不同的是, <915 mm 车 用下的热疲劳破坏问题。根据 1995 年对车轮裂纹的调 轮直至最后试验结束也未发现有明显的热裂现象, 而 查结果, 新轮对在 115 a 内就发生裂纹者为 72% , 超过

<840 mm 车轮在经过多次停车制动和 13 次持续制动

该使用年限后才发生裂纹的轮对仅占 28% , 并且有近

试验后, 当制动总能量达到约 27214 kW ·h 时已开始

60% 发生在踏面及其附近, 这表明裂纹与踏面制动引 起的热疲劳有关。此外, 在 1995 年对 10 个铁路局车轮 出现毛细裂纹, 又经过 15 次各 20 m in 的持续制动试 故障的统计资料中, 故障率占前 3 位的分别是踏面剥 验, 使制动总能量达到 484 kW ·h 时 再 检 查 车 轮 踏 离 (3713% )、踏面缺损 (2611% ) 和擦伤 (1715% ) , 占总 面, 共 发 现 有 3 处 较 明 显 的 横 向 裂 纹, 最 长 者 达 30 故障率的 80% 以上。分析故障原因有材质、轮轨接触、 mm , 同 时 车 轮 的 不 圆 度 由 ∆≤ 0101 mm 恶 化 为 ∆= 制动热疲劳和擦伤等。

0106 mm 。

根 据 铁 道 部 有 关 <915 mm 货 车 E s 轮 的 研 究 要 上述试验结果表明, 制动热负荷是影响车轮损伤 求, 铁道科学研究院从 1992 年 10 月—1993 年 5 月与 的重要因素, 尤其是我国货车的制动条件更苛刻, 制动 南京摩擦材料总厂合作, 在该厂的 1∶1 制动动力试验 距离较美国短得多, 现有的制动功率已高于 A A R 标 台上用 <915 mm 、<840 mm 货车车轮分别配合铸铁闸 准。但提高制动功率是货车大型化、高速化不可避免的 瓦和 407G 高摩合成闸瓦共 6 种组合进行模拟试验, 发展趋势, 因此, 在设计新型货车时必须考虑车轮热负 包括停车制动、坡道制动和专门的制动热疲劳试验。从

荷的影响, 特别是 25 t 轴重的车辆在设计时不能避开

表 1、表 2 中可以看出, 我国现有 21 t 轴重货车在 90

此问题。

() 轴已接近美国 A A R km ƒh 时的制动功率 12316 kW ƒ关于制动热负荷的校核, 如前所述, 我国货车一般

标准 (13712 kW ƒ轴) , 在更高轴重或速度下其要求将

按轴重 21 t 和 800 m 紧急制动距离要求。由于制动初

严于 A A R 标准。 坡道制动时的制动功率如表 12 所

速度不高 (90 km ƒh 以下) , 其实际制动功率均远低于

示, 也超过了 A A R 标准。

上述轴制动功率的限值, 所以即使采用铸铁闸瓦踏面

3. 4 制动热负荷及其校核

不同试验方式下的车轮踏面最高温度试验结果见 表 13。

制动的方式也能满足要求。 但其紧急制动的平均减速

2

度还不足 015 m ƒs, 故远远不能满足提速和缩短制动 距离的要求。若按照 120 km ƒh 下紧急制动距离 800 m

·13 ·

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综 述·述 评

铁道车辆 第 41 卷第 3 期 2003 年 3 月

文章编号: 100227602 ( 2003) 0320014203

地 铁 车 辆 的 选 型

刘 增 民

(铁道第一勘察设计院 西安分院, 陕西 西安 710043)

摘 要: 提出了地铁车辆选型的原则、条件及依据, 分析了地铁车辆的主要设备及装置, 为各城市地铁车辆的选型提 供参考。

关键词: 地铁车辆; 选型; 设备 中图分类号: U 239. 9

文献标识码: B

地铁车辆的选型是地铁工程整体方案中的关键问 题之一。一方面, 车辆类型的选择应在满足系统运营要 求的前提下进行; 另一方面, 选型在一定程度上决定了 系统的技术标准。因此, 地铁车辆的选型不应局限于地 铁车辆本身的技术经济比较, 而应上升到系统的高度, 对整个系统的技术经济进行综合比较, 以选择有利于 降低系统投资和运营成本的车辆, 这是城市地铁车辆 选型的基本出发点。

具备向国产化过渡的可能性和可行性。

( 6) 应兼顾远期地铁发展需要, 以便统一考虑检

修设备。

2 选型的条件及依据

2. 1 运量要求

1 选型原则

( 1) 应满足系统的运营要求, 并充分考虑地铁的

修建地铁的根本目的就是缓解大城市交通拥挤状 况, 保证旅客能够安全、快速地到达目的地, 实现城市 布局调整, 带动整个区域的发展。车辆选型及编组应能 满足不同时期运量的要求, 还应能满足最小行车间隔

115 m in～ 2 m in 的要求。 2. 2 线路特点

运营模式及管理模式。

(2) 应结合我国基本国情, 选取技术成熟、安全可 靠的车辆, 以减少维修工作量和运营成本。

(3) 应选择造型美观、乘坐舒适的车辆, 以吸引更 多的旅客。

(4) 应选择适应地下、地面、高架等线路状况及各 种自然环境条件的车辆, 并尽可能减少对周围环境的 影响。

( 5) 应立足于国产化, 引进的关键技术设备也应

收稿日期: 2002205220

作者简介: 刘增民 ( 19702) , 男, 工程师。

2

或 1 100 m 的 要 求, 其 平 均 减 速 度 应 为 019 m ƒs或

2

0161 m ƒs左右, 又可能引起过大的制动热负荷。 因

地铁线路有地下、地面和高架 3 种形式。不同的城

市有不同的线路形式, 其线路长度、最大站间距、最小 站间距、最大坡度、坡长、最小曲线半径、平均旅行速度 等不一样, 对车辆的结构形式和性能参数的要求也不 一样。地铁车辆应服从线路的灵活性, 其结构形式和性 能参数应能满足本城市的线路特点。

2. 3 自然环境

我国幅员辽阔, 各地的人文地理和自然环境各不 相同, 对车辆的影响和要求也不同。地铁车辆在城市内 运行, 对城市景观和噪声的影响也很大。 因此, 地铁车

轴重 距离

t ƒ21

表 14 制动功率 kW ƒ轴

80 85 45. 1

90 123. 6 . 9 147. 1

( km ·h - 1) 速度ƒ100 173. 8 90. 2 206. 9

110 236. 5 121. 5 281. 6

120 315. 2

212. 3 159. 8 375. 2 252. 7

190. 2 125 361 174. 8 429. 8

此, 按铁道部提出的 1 100 m 和 1 400 m 紧急制动距

离对制动功率进行了计算, 计算结果见表 14。 从表中 可以看出, 其平均减速度在 120 km ƒh 时分别为 0161

2 2

m ƒs和 0146 m ƒs, 对 制 动 热 功 率 的 利 用 程 度 为 7413% 和 56% , 仍 比 现 有 货 车 ( 高 摩 合 成 闸 瓦, 90

km ƒh 条件下) 的热负荷大得多, 因此, 对合成闸瓦的性

ƒm

800

1 100 1 400

25

800 101. 5

1 100

1 400 53. 8

77. 3 107. 4 144. 6 208. 1 (待续)

能要求也应相应提高。 ·14·

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(编辑: 李 萍)

A BSTRACT

D iscuss ion on Se lec t ion of the Stre ss Stan da rd f or the Spr in g w ith 2- Gra de St if fn e ss f or Ra ilwa y Fre igh t Ca r s M

lo ad an d lo n g itu d in a l fo rce o f th e t ra in.

Key word s: f re igh t ca r; b rak in g equ ipm en t; ad2 h e sio n; b rak in g d istan ce; b rak in g ca lcu la t io n; su rvey

M ode l Se lec t ion f or M e tro Ca r s

L IU Zen g 2m in

(m a le, bo rn in 1970, en g in ee r, X i’an B ran ch In 2 st itu te o f T h e 1 st R a ilw ay P ro sp ec t in g an d D e sign In 2 st itu te, X i’an 710043, C h in a)

A bstra c t: T h e p r in c ip le s, co n d it io n s an d b a se s o f th e m o de l se lec t io n fo r m e t ro ca r s a re p u t fo rw a rd, an d th e m a in equ ipm en t an d dev ice s fo r m e t ro ca r s a re an a lyzed, so th a t th e refe ren ce s a re p ro v ided fo r th e m o de l se lec t io n fo r m e t ro ca r s in va r io u s c it ie s.

Key word s: m e t ro ca r s; m o de l se lec t io n

Ref orm of the 60 t, 40 t L on g an d B ig

Fre igh t Ca r s w ith M e ter Ga uge

L IU H u a

(m a le, bo rn in 1971, en g in ee r, T ech n ica l C en te r

o f M e ish an R o llin g S to ck W o rk s, M e ish an 612162, C h in a)

A bstra c t: T h e st ru c tu re, p e rfo rm an ce an d ch a r2 ac te r ist ic s o f th e 60 t, 40 t lo n g an d b ig f re igh t ca r s w ith m e te r gau ge af te r th e de sign b e in g refo rm ed a re de sc r ib ed.

Key word s: ca r w ith m e te r gau ge; lo n g an d b ig f re igh t ca r; st ru c tu re

The P la te an d Fram e Type Con ta in er s f or Gen era l Purpo se

ZHOU L iu 2ho n g

(fem a le, bo rn in 1969, en g in ee r, L iu zho u L o co 2 m o t ive & R o llin g S to ck W o rk s, L iu zho u 5007, C h in a)

A bstra c t: D e sc r ib ed a re th e p e rfo rm an ce, p a ram 2 e te r s an d st ru c tu ra l fea tu re s o f th e gen e ra l2p u rpo se p la te an d f ram e typ e co n ta in e r s fo r t ran spo r t o f m in i2

. ca r s an d th ree2w h ee l ag r icu ltu ra l ca r sKey word s: p la te an d f ram e typ e; co n ta in e r;

p e rfo rm an ce; p a ram e te r; st ru c tu re

A pp l ica t ion of CFD in D e s ign of

U F en g2ju n

(m a le, bo rn in 1969, en g in ee r, Q iq ih a r R a ilw ay C a r (G ro up ) Co. L td. , Q iq ih a r 161002, C h in a)

A bstra c t: T h e ex ist in g co n d it io n s o f th e se lec t io n o f th e p e rm issib le st re ss fo r th e sp r in g w ith 22g rade st iffn e ss fo r f re igh t ca r s a re de sc r ib ed. A n d th e n ew se lec t io n m e tho d is p u t fo rw a rd.

Key word s: sp r in g w ith 22g rade st iffn e ss; st re ss stan da rd; equ iva len t st re ss

D eve lopm en t an d Te st in g of F8 In tegra ted

E lec tro- pn eum a t ic Bra k in g Un it

. W A N G J u n 2yo n g , e t a l

(m a le, bo rn in 1965, Sen io r en g in ee r, P ro du c t D eve lop in g D ep a r tm en t o f S ifan g R o llin g S to ck R e2

sea rch In st itu te, Q in gdao 266031, C h in a)

A bstra c t: D e sc r ib ed a re th e st ru c tu re, fu n c t io n2 a l p e rfo rm an ce o f th e F 8 in teg ra ted e lec t ro 2p n eum a t ic b rak in g u n it. T h e de sign an d te st in g o f it a re m a in ly d iscu ssed.

Key word s: e lec t ro 2p n eum a t ic b rak in g; de sign; p e rfo rm an ce te st; F 8

Problem s Ex ist in g in the Bra k in g Sy stem on Fre igh t Ca r s in O ur Coun try an d

the Pro spec ts (To Be Con t in ued)

M A D a2w e i

(m a le, bo rn in 1946, re sea rch e r, R e sea rch an d

D eve lopm en t C en te r o f R a ilw ay Sc ien ce A cadem y, B e ijin g 100081, C h in a)

A bstra c t: T h e p re sen t sta te o f f re igh t ca r b rak 2 in g equ ipm en t in o u r co u n t ry is de sc r ib ed gen e ra lly. A cco rd in g to th e deve lopm en t requ irem en t s o f sp eed in c rea se an d h eavy h au l o f f re igh t t ra in s, th e p ro b 2 lem s ex ist in g in th e p re sen t f re igh t ca r b rak in g equ ip 2 m en t a re expo u n ded. T h e deve lopm en t o r ien ta t io n o f th e f re igh t ca r b rak in g equ ipm en t is exp la in ed th ro u gh th e qu an t ita t ive ca lcu la t io n an d th eo re t ica l an a ly sis m a in ly f rom su ch a sp ec t s a s b rak in g cap ac i2 ty, w h ee l2ra il adh e sio n app lica t io n , b rak in g h ea t

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